光伏并网系统中孤岛检测新方法探讨

王猛 李梦达

摘要：对目前光伏并网系统中主流的本地孤岛检测法相关原理进行了介绍，总结了主动式和被动式检测法的优缺点，在此基础上提出了混合式检测法。在实际工程应用中，应该基于实际的工况，合理选择至少一种方法用于孤岛检测，其中将主、被动两种或以上不同原理的方法按照一定方法组合使用，检出率更高，对电网扰动更小。

Abstract： The relevant principles of local island detection in the current photovoltaic grid-connected system are introduced. The advantages and disadvantages of active and passive detection methods are summarized. On this basis， a hybrid detection method is proposed.In practical engineering applications， at least one method should be reasonably selected for island detection based on actual working conditions， in which two or more methods with different principles of active and passive should be combined in accordance with certain methods to achieve higher detection rate and less disturbance to power grid.

关键词：孤岛检测;光伏并网系统;逆变器;检测盲区

Key words： island detection;photovoltaic grid-connected system;inverter;detection blind area

中图分类号：TM712                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0219-02

0  引言

随着分布式发电技术（Distributed Generation）的不断发展，其在电网中所占比例也在不断提高。孤岛现象是指当电网断开时，DG系统继续向负载供电形成了自给供电的孤岛。非计划孤岛会给电网稳定运行带来一系列严重的问题，因此如何在DG系统中将孤岛识别出来成为了关键。

孤岛检测的主流方法根据其是否向电网中注入扰动可以分为主动式检测法和被动式检测法两大类。这两种方法各有优缺点，本文在分析其原理的基础上，总结了该方法在近年来的一些新进展，以供参考。

1  孤岛检测方法

目前本地孤岛检测方法主要有主动式、被动式和混合式三大类，其中混合式检测法主要是由主动式和被动式至少各一种组合而成。

1.1 主动式检测法

主动式检测法主要通过向逆变器中注入电流、频率、相位等扰动，当电网断开时，由于扰动持续注入，PCC点电压、频率持续偏移直至超出阈值被检测出来。下面是当前在工程中应用最为广泛的两类主动检测法：

1.1.1 阻抗测量法

它通过测量电流幅值变动后PCC点电压与逆变器输出电流变化量的比值（即dUa/dI）来判断孤岛发生：首先通过逆变器向电网中注入扰动电流，正常运行时，由于电网阻抗很小，由此产生的电压改变也很小;一旦电网断开，负载阻抗较大，则Ua会发生明显的变化，在超出阈值后触发过压保护。

其优点是检测盲区（Non-detection Zone，NDZ）较小，检测量在并网前后相差大。缺点是多逆变器并联时，由于稀释效应，NDZ增大。

文献[1]通过在分布式光伏并网点接入信号发生装置来判断系统阻抗的变化进行孤岛检测。引入的高频小电压信号来主动判断系统阻抗变化，无检测盲区;并且在时频上将此信号隔离，不对原有工频网络造成影响。文献[2]在电流参考相位中加入一个幅值很小的二倍频扰动信号来测量网侧阻抗，可用于多台逆变器并网系统的检测。

这里值得一提的是近年来有学者将阻抗法进行改进，由于并网点的阻抗变化是在瞬间完成的，而PCC点电压、频率和逆变器输出电流等电气量的变化则需要一定时间，因此能够通过并网点等值阻抗变化来快速准确地推算出孤岛。文献[3]利用突变量求取并网点等值阻抗，并且针对电网与新能源系统单线连接时发生三相短路故障会与孤岛下突变量相似的情况，采用测量并网点电流有效值的方式来对两种工况进行区分。

1.1.2 頻率、相位偏移法

通过逆变器向PCC点注入频率、相位扰动。当电网正常时，在电网电压钳制下，PCC点频率、电压相位不发生变化;电网断开后，由于逆变器不断注入扰动，频率、电压相位会发生偏移，直到超出阈值触发保护，逆变器断开。

该方法的优点是能够快速检测出孤岛，对纯阻性负载无NDZ，且方法易于实现，检出率高。缺点是对电能质量造成一定影响，对非纯阻性负载会存在NDZ，多逆变器场合可能会由于负载性质相反导致注入的扰动方向相反，相互抵消。

文献[4]针对不同性质的负载扰动建立了扰动方程来判断负载性质，并以PCC点频率变化及频率变化率为输入量对正反馈系数k进行模糊优化，使其能够自适应地变化。文献[5]针对下垂控制策略提出一种基于p-f有功功率环相位簇扰动的孤岛检测方法，根据Goertzel算法提取各次谐波幅值进行孤岛检测。

1.2 被动式检测法

被动式检测法主要通过检测孤岛前后变化显著的电气量来判断电网状态。传统的被动式检测以过/欠压、过/欠频为主。虽然不需要对电网注入扰动，但由于这种方法的阈值难以确定：过大会导致漏检，过小又会导致误判。因此，近年来被动检测法研究热点聚焦到了数据挖掘分析和智能算法在该领域的应用。

被动式检测法不会对电能质量产生干扰，但存在NDZ，且在某些工况下可能会由于要检测的特征量发生变化产生误判。

文献[6]用PCC点电压、频率、电压与电流相位差、电流谐波失真参数定义了4项指标，使用决策树分类器进行逻辑判断分类，检测盲区较小，能适应复杂多系统需要。

文献[7]采用S变换和SVD来对电网中的3-15奇数次谐波分解得到特征向量，将特征向量进行训练得到神经网络。考虑了功率匹配、电能质量扰动、电容器投切等多种工况下的孤岛和伪孤岛。

文献[8]通过对PCC点处电压进行快速傅里叶变换提取出发生孤岛时特定的谐波序分量信号。

文献[9]提出由关键特征识别、基学习器和元学习器三个环节构成数据挖掘系统。利用RELIEF算法识别孤岛检测的关键特征。

1.3 混合式检测法

混合式检测法通常包含至少一种被动式检测法和一种主动式检测法。由于主动式检测法会对电网造成扰动，被动式检测法存在检测盲区，因此混合式检测法通常能够根据不同工况对检测方法进行选择：在多数被动式检测法能够检出孤岛的工况下，仅使用被动式检测法以防止逆变器注入扰动对电网电能质量造成影响;在少数特定情况下被动式检测法可能会出现漏检或者误判，因此采用主动式检测法对电网状态进行检测。

由于混合式检测法对电网造成的扰动减小且不存在检测盲区，根据GB/T 20046-2006相关规定，在光伏系统并网时至少应采用一种主动式和被动式检测法以保证供电的安全可靠性。由上述分析可知，混合式检测法需要至少一种主动、被动式检测法进行组合，采用何种方式将至少两种孤岛检测方式进行有效地结合是该方法能够成功应用于工程中的关键。

文献[10]分别采集电网侧流向负载及逆变器侧流向负载的几个电参量结合判定公式进行计算和预评估。被动式检测法采用过/欠频检测，并在（Qf，f）坐标系下推导出了在Qf=2.5极端条件下的检测盲区，在此检测盲区内使用主动频移式检测法。

文献[11]针对负载消耗的有功功率和逆变器输出的有功功率匹配度高时，过/欠频法检测盲区较大问题，通过计算逆变输出的有功功率、负载消耗的有功功率和无功功率是否匹配来决定采用何种方法进行检测。

文献[12]将主动移相法进行改进，改进了锁相环相位信号输出公式，当脱网时，如果负载消耗与逆变器输出功率不匹配，此时相位会不断加速偏移，频率f也会随之而改变。并提出了一种基于分频器的三相锁相环过/欠压保护法，通过监测鉴相器uq的跳变情况，即可检测出孤岛效应的电压相位跳变保护。

文献[13]结合频率检测、电压相位检测和可控短路阻抗检测三种主动检测法和过/欠压、过/欠频检测法两种被动式检测法各自特点，以频率检测和相位突变组合为主要检测手段，对于内部阻抗接近阻性且内部功率基本平衡的情况，采用可控短路阻抗检测作为辅助检测。

2  孤岛检测方法的趋势

以上三类方法各有优缺点，在实际的工程应用中，应根据实际情况选择合适方法进行孤岛检测，除了可靠性，还应考虑经济性和实用性等。

由于当前孤岛检测技术还不成熟，在未来的研究中在以下几个方面是主要趋势：①当前大多数的方法理论都是建立在单机逆变器的基础上，而实际工程中，可能会面临多机组合并网，在多机并网时，考虑稀释效应，很多方法的NDZ都会增大，因此，要如何确保多机并网不受影响。②当前主要研究对象是单相并网孤岛检测，三相并网孤岛检测的仿真建模及实验分析在后续需要针对性研究。③如何将主、被动检测法进行有效地组合来识别孤岛也是未来研究的一个方向。④孤岛检测目前仅局限于理论研究阶段，试验场地和设备的匮乏也限制这项技术的应用，接下来的研究可以将已有的理论用实验进行验证和分析。

3  结论

本文地对当前主流的检测法进行综述性分析，并说明了其基本原理和优缺点，对近年来学者研究成果进行了探讨，最后，对未来的趋势和研究方向进行总结，对于今后孤岛检测方法的选择判断具有一定参考价值。

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基金项目：黑龙江省自然科学基金项目资助（59820485）。

作者简介：王猛（1994-），男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向为光伏并网发电。